輕子

輕子（Lepton）是一種不参與强相互作用、自旋为1/2的基本粒子。電子是最為人知的一種輕子；大部分化學領域都會涉及到與電子的相互作用，原子不能沒有它，所有化學性質都直接與它有關。輕子又分為兩類：「帶電輕子」與「中性輕子」。帶電輕子包括電子、緲子、陶子，可以與其它粒子組合成複合粒子，例如原子、電子偶素等等。 在所有帶電輕子中，電子的質量最輕，也是宇宙中最穩定、最常見的輕子；質量較重的緲子與陶子會很快地衰變成電子，緲子與陶子必須經過高能量碰撞製成，例如使用粒子加速器或在宇宙線探測實驗。中性輕子包括電中微子、緲中微子、陶中微子；它們很少與任何粒子相互作用，很難被觀測到。

輕子一共有六種風味，形成三個世代。第一代是電輕子，包括電子（）與電中微子 （）。第二代是緲輕子，包括緲子（）與緲中微子 （）。第三代是陶輕子，包括陶子（）與陶中微子（）。

輕子擁有很多內秉性質，包括電荷、自旋、質量等等。輕子與夸克有一點很不相同：輕子不會感受到強作用力。輕子會感受到其它三種基礎力：引力、弱作用力、電磁力。但是，由於中微子的電性是中性，中微子不會感受到電磁力。每一種輕子風味都有其對應的反粒子，稱為「反輕子」。帶電輕子與對應的反輕子唯一不同之處是帶有電荷的正負號相反。根據某些理論，中微子是自己的反粒子，但這論點尚未被證實。

在標準模型裏，輕子扮演重要角色，電子是原子的成分之一，與質子、中子共同組成原子。在某些被合成的奇異原子裏，電子被更換為緲子或陶子。像電子偶素一類的輕子-反輕子粒子也可以被合成。

詞源學
英文術語「lepton」源自希臘語「」（leptón），是「」（leptós）的中性，含意為"小、薄"。萊昂·羅森菲爾德於1948年最先為英文術語「lepton」命名。
在教授的建議之後，決定用「lepton」（從「λεπτός」，小、薄）這字來稱呼一種小質量的粒子。

這命名不正確地假定所有輕子的質量都很小。在洛森斐命名那時，學術界只知道有電子與緲子兩種輕子。它們的質量的確很小，電子的質量為，緲子的質量為，比質子的質量輕很多。可是，在1970年代中期發現的陶子，它的質量是，幾乎是質子的兩倍。

歷史
最先被辨識的輕子是電子，英國物理學者約瑟夫·湯姆森與實驗團隊於1897年發現電子。
1930年，沃爾夫岡·包立大膽假設電中微子存在，這是為了解釋β衰變的能量缺失問題，挽救能量守恆定律；包立認為，所有最初與最終觀察到的粒子的能量差，都被一種尚未探測到的粒子帶走了，這粒子具有電中性，不會留下軌跡，所以很難探測到。

在電子被發現大約40年之後，卡爾·安德森於1936年發現了緲子。由於它的質量，緲子最初被歸類為介子，而不是輕子。漸漸地，學者發覺緲子的性質更接近電子，只是質量比較大，而且緲子不會感受到強相對作用，不具有介子的性質。1947年，才有學者開始提議一群粒子被歸類為輕子的概念。

馬丁·佩爾與他的實驗團隊於1975年完成實驗首先探測到陶子。如同電子與緲子，物理學者認為它應該也有伴隨的中微子，這是因為他們觀察到類似β衰變的缺失能量問題。費米實驗室的直接觀察陶中微子實驗（Direct Observation of the NU Tau，DONUT ）團隊於2000年探測到陶中微子參與作用的證據。

虽然現有數據符合三個世代的輕子，有些粒子物理學者仍在尋找第四代帶電輕子。這種帶電輕子的質量下限為，伴隨它的中微子最少應該帶有質量。

性質
自旋與手徵性
輕子是自旋粒子，只能處於兩種自旋態：上旋或下旋。自旋統計定理將它們按照自旋歸類為費米子，遵守包立不相容原理，因此任何兩個全同的輕子不能同時佔有相同的量子態。

手徵性與螺旋性（helicity）是與自旋緊密相關的兩種性質，螺旋性跟粒子的自旋與動量之間的相對方向有關；假若是同向，則粒子具有右手螺旋性，否則粒子具有左手螺旋性。對於不帶質量粒子，這相對方向與參考系無關，可是，對於帶質量粒子，由於可以藉著洛倫茲變換來改換參考系，從不同的參考系觀察，粒子動量不同，因此翻改螺旋性，可以從右手螺旋性翻改為左手螺旋性，或從左手螺旋性翻改為右手螺旋性。手徵性是通過龐加萊群（Poincaré group）的變換來定義的性質。對於不帶質量粒子，手徵性與螺旋性一致；對於帶質量粒子，手徵性與螺旋性有別。

在很多量子場論裏，例如量子電動力學與量子色動力學，並沒有對左手與右手費米子作任何區分，可是，在標準模型的弱相互作用理論裏，按照手徵性區分的左手與右手費米子被非對稱地處理，只有左手費米子參與弱相互作用，右手中微子不存在。這是宇稱違反的典型例子。

弱相互作用
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在標準模型裏，輕子可以按照手徵性分為左手輕子與右手輕子；左手輕子的弱同位旋T為，左手帶電輕子與左手中微子的弱同位旋投影（弱同位旋的第三分量）T3分別為-、+，弱相互作用是由它們組成二重態（doublet state）共同實現；右手帶電輕子的弱同位旋T為0，形成單態，不參與弱相互作用；右手中微子並不存在。中微子實際帶有微小質量，大約小於。電子與電中微子的電子數Le為1。緲子與緲中微子的緲子數Lμ為1。陶子與陶中微子的陶子數Lτ為1。 反輕子的輕子數為對應輕子的輕子數乘以−1。

輕子數守恆的意思就是同類輕子數的代數和保持不變。當粒子耦合時，這意味著只有同一代的輕子與反輕子才能成對產生。例如，以下過程是被允許的：
: + → + 、
: + → + 。

以下過程是不被允許的：
: → + 、
: → + 、
: → + 。

但是，中微子振盪違反單獨輕子數守恆，這是後標準模型物理的確鑿證據。更強的守恆定律是總輕子數守恆。中微子振盪遵守總輕子數守恆。但是，稍微違反了這守恆定律。

普適性
輕子與對應的中微子之間的相互作用與風味無關，換句話說，對於電子與電中微子之間的相互作用、緲子與緲中微子之間的相互作用、陶子與陶中微子之間的相互作用，假若將質量差別納入考量，則這三種相互作用的效應相等。這性質稱為輕子相互作用的「普適性」。所有已知實驗數據與這種普適性一致

對於過程 → + + ，緲子的衰變率\Gamma以方程式表示為（更詳盡內容，請參閱緲子衰變）
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| 未知
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|style="text-align:left"| 陶中微子 / 反陶中微子
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| 未知
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參阅

• 粒子列表
• 夸克

參考文獻